(57)【要約】プラズモンセンサは、第１金属層と、第２金属層とを有する。第１金属層は、下面と、電磁波が供給されるように構成された上面とを有する。第２金属層は、第１金属層の下面に対向する上面を有する。第１金属層と第２金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられている。第１金属層の下方と第２金属層の上方の少なくとも一方には、複数のアナライト捕捉体が物理吸着されている。
2011142110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有する第１金属層と、
前記第１金属層の前記下面に対向する上面を有する第２金属層と、
を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられ、
前記第１金属層の下方と前記第２金属層の上方の少なくとも一方に、複数のアナライト捕捉体が物理吸着された、
プラズモンセンサ。
【請求項２】
電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有する第１金属層と、
前記第１金属層の前記下面に対向する上面を有する第２金属層と、
を備え、
前記第１金属層と前記第２金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられ、
前記第１金属層の下方側と前記第２金属層の上方側の少なくとも一方側にアナライト捕捉体が配置され、
前記アナライト捕捉体は配向されていないプラズモンセンサ。
【請求項３】
前記第１金属層と前記第２金属層との間には複数の粉体が配置され、
前記粉体の表面に前記アナライト捕捉体が化学吸着されている、
請求項１と請求項２のいずれか一項に記載のプラズモンセンサ。
【請求項４】
前記粉体は金属で構成されている、
請求項３に記載のプラズモンセンサ。
【請求項５】
前記粉体はデンドリマーで構成されている、
請求項３に記載のプラズモンセンサ。
【請求項６】
前記複数のアナライト捕捉体と共に物理吸着されている添加剤をさらに備えた、
請求項１と請求項２のいずれか一項に記載のプラズモンセンサ。
【請求項７】
前記アナライト捕捉体の配置密度に偏りがある、
請求項１と請求項２のいずれか一項に記載のプラズモンセンサ。
【請求項８】
アナライトを含む試料を前記中空領域に挿入するための試料挿入部をさらに備え、
前記試料挿入部には前記アナライト捕捉体が配置されていない、
請求項１と請求項２のいずれか一項に記載のプラズモンセンサ。
【請求項９】
上面と、下面とを有する第１金属層と、前記第１金属層の前記下面に対向する上面を有する第２金属層と、を有し、前記第１金属層と前記第２金属層との間に中空領域が設けられ、前記第１金属層の下方側と前記第２金属層の上方側の少なくとも一方側に、複数のアナライト捕捉体が物理吸着されたプラズモンセンサの使用方法であって、
前記中空領域に毛細管現象を利用して試料を挿入するステップと、
前記第１金属層の前記上面側へ電磁波を供給するステップと、
前記第１金属層の前記上面から反射又は輻射される電磁波の振幅変化と共鳴波長変化の少なくとも一方を検知するステップと、を備えた、
プラズモンセンサの使用方法。
【請求項１０】
電磁波が供給されるように構成された上面と、下面とを有する第１金属層と、
前記第１金属層の前記下面に対向する上面を有する第２金属層と、
を備え、前記第１金属層と前記第２金属層との間に中空領域が設けられている、プラズモンセンサ構造体を準備するステップと、
毛細管現象を利用してアナライト捕捉体を含む媒質を前記中空領域に挿入するステップと、
前記アナライト捕捉体を前記中空領域に挿入した後、前記媒質を乾燥させることで前記第１金属層の下方と、前記第２金属層の上方のうちの少なくとも一方にアナライト捕捉体を配置するステップと、を備えた、
プラズモンセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウィルス等の検知に使用できる表面プラズモン共鳴を利用したプラズモンセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、ウィルス検知等に使用可能なプラズモンセンサ１００の断面図である。プラズモンセンサ１００は、プリズム１０１と、表面の平坦な金属層１０２と、表面が平坦で所定の誘電率を有する絶縁層１０３と、抗体などである捕捉体１０４と、光源１０５と、検波部１０６とを有している。金属層１０２はプリズム１０１の下面に配置され、絶縁層１０３は金属層１０２の下面に配置されている。捕捉体１０４は絶縁層１０３の下面に固定されている。【０００３】
金属層１０２と絶縁層１０３との界面には、電子の疎密波である表面プラズモン波が存在している。表面プラズモン波とは、金属の自由電子が光とカップリングを起こして生じる電子波である。【０００４】
プリズム１０１の上方には光源１０５が配置されている。光源１０５はプリズム１０１へＰ偏光された光を全反射条件で入射させる。なお、入射面に垂直に振動している光がＰ偏光である。金属層１０２において全反射された光は、検波部１０６において受光される。検波部１０６は光の強度を検出する。【０００５】
このように、光源１０５がプリズム１０１へ光を入射させると、金属層１０２とプリズム１０１との界面にエバネセント波が生じる。エバネセント波とは、全反射が起こる際に、通過しないはずの物質側にわずかに染み出している電磁波である。【０００６】
ここで、エバネセント波の波数と表面プラズモン波の波数とが一致する波数整合条件が満たされると、光源１０５から供給される光のエネルギーは表面プラズモン波の励起に利用され、反射光の強度が減少する。波数整合条件は、光源１０５からの供給される光の入射角に依存する。したがって、入射角を変化させて検波部１０６で反射光強度を検出すると、ある入射角において、反射光の強度が減少する。【０００７】
反射光の強度が最小となる角度は共鳴角と呼ばれる。共鳴角は、絶縁層１０３の誘電率に依存している。試料中の被測定物質であるアナライトと捕捉体１０４とが特異的に結合して特異的結合物が絶縁層１０３の下面に構成されると、絶縁層１０３の誘電率が変化する。これに応じて、共鳴角が変化する。したがって、共鳴角の変化をモニタリングすることにより、アナライトと捕捉体１０４との特異的結合反応の結合の強さや結合の速さなどを検知することが可能となる。このようなプラズモンセンサは、例えば、特許文献１に開示されている。【０００８】
プラズモンセンサ１００は、Ｐ偏光を供給できる光源１０５と金属層１０２の上面に配置されるプリズム１０１とを有する。そのため、プラズモンセンサ１００は大きく、複雑な構造を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−１８１２９６号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、小型で簡易構成なプラズモンセンサである。本発明のプラズモンセンサは、第１金属層と、第２金属層とを有する。第１金属層は、下面と、電磁波が供給されるように構成された上面とを有する。第２金属層は、第１金属層の下面に対向する上面を有する。第１金属層と第２金属層との間には媒質を含有する試料で充填されるように構成された中空領域が設けられている。第１金属層の下方と第２金属層の上方の少なくとも一方には、複数のアナライト捕捉体が物理吸着されている。
【００１１】
本発明のプラズモンセンサでは、プリズムが第１金属層の上面に配置されていない。しかも電磁波源から第１金属層に供給される電磁波がＰ偏向されていなくても、第１金属層と中空領域の第１界面、及び、第２金属層と中空領域の第２界面に表面プラズモン共鳴が発生する。よって、小型で簡易な構成のプラズモンセンサを実現することが出来る。さらに、本発明のプラズモンセンサは、中空領域内に浮遊している物質の誘電率変化を検知することが出来るため、例えば自己組織化膜（ＳＡＭ）を介して第１金属層または第２金属層に抗体などの捕捉体を化学吸着させる必要がない。そのため、簡易な工程で実現可能である。
【００１２】
またこのプラズモンセンサを使用するには、中空領域に毛細管現象を利用して試料を挿入し、第１金属層の上面側へ電磁波を供給する。そして第１金属層の上面から反射又は輻射される電磁波の振幅変化と共鳴波長変化の少なくとも一方を検知する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサの断面図である。
【図２】図２は図１に示すプラズモンセンサの試料挿入時の概念図である。
【図３】図３は補足体であるリガンドとアナライトの特異的結合の概念図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析モデルの概念図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサの他のシミュレーション解析モデルの概念図である。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す他の図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図１０】図１０は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図１１】図１１は本発明の実施の形態による他のプラズモンセンサの断面図である。
【図１２】図１２は従来のプラズモンセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお各実施の形態において、先行する実施の形態と同じ構成部分に関しては同一符号を付し、説明を省略する場合がある。また以下の説明において、「上面」「下面」「上方」「下方」等の方向を示す用語はプラズモンセンサの構成部品の相対的な位置関係にのみ依存する相対的な方向を示し、鉛直方向等の絶対的な方向を示すものではない。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるプラズモンセンサ１の断面図である。プラズモンセンサ１は、第１金属層（以下、金属層）２と、第２金属層（以下、金属層）３と、複数のアナライト捕捉体（以下、補足体）７とを有する。
【００１６】
金属層２は下面２Ｂと、電磁波が供給されるように構成された上面２Ａとを有する。金属層３は、金属層２の下面２Ｂに対向する上面３Ａを有する。金属層２、３の間には中空領域４が設けられている。中空領域４は媒質を含有する試料で充填されるように構成されている。
【００１７】
金属層２、３は金、銀等の金属で構成されている。金属層２は概ね１００ｎｍ以下の厚みを有するので単体ではその形状を維持できない。金属層２の上面２Ａは保持部５の下面５Ｂに固定され、その形状が保持されている。また同様に、金属層３は保持部６の上面６Ａに固定されて保持されている。
【００１８】
金属層２、３の間の距離が一定に維持されるように、プラズモンセンサ１は金属層２、３間に配置され、金属層２、３を保持する柱または壁を有していてもよい。この構造により、プラズモンセンサ１は中空領域４を実現することができる。
【００１９】
抗体などである捕捉体７は、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａとの少なくとも一方に物理吸着されている。すなわち、複数の捕捉体７は、金属層２の下方側と金属層３の上方側の少なくとも一方に物理吸着されている。また、複数の捕捉体７は、金属層２の下面２Ｂの下方側と金属層３の上面３Ａの上方側の少なくとも一方側に配向されずに配置されてもよい。
【００２０】
図１２に示した従来のプラズモンセンサ１００は、感度を確保するために、絶縁層１０３の下面に捕捉体１０４を化学吸着等により固定する必要がある。一方、プラズモンセンサ１は、金属層２、３の間の誘電率の変化により、表面プラズモンの共鳴波長が変化する特徴を有している。そのため、捕捉体７を化学吸着等により金属層２、３に固定する必要はない。したがって、プラズモンセンサ１は、捕捉体７の配置プロセス、例えばＳＡＭ膜形成プロセスが簡便化でき、製造効率を向上することができる。例えば、捕捉体７の含有された液体またはゲル、気体等の流体を毛細管現象により中空領域４に注入し、乾燥させることで、捕捉体７を金属層２の下面２Ｂ上と金属層３の上面３Ａ上の少なくともいずれか一方に配置することができる。
【００２１】
図２はプラズモンセンサ１の試料挿入時の概念図である。中空領域４にはプラズモンセンサ１を使用する際に試料６２を充填することができ、中空領域４は実質的に金属層２、３で挟まれている。試料６２は、アナライト８と検体９と媒質６１とを含有する。媒質６１は気体、液体、またはゲル等の流体であり、アナライト８と検体９とを運ぶ。
【００２２】
試料６２が中空領域４に充填され、試料６２中のアナライト８が捕捉体７に触れると、捕捉体７とアナライト８とが特異的に結合する。前述のように捕捉体７は、物理吸着により金属層２の下面２Ｂの下方及び／または金属層３の上面３Ａの上方に配置されている。そのため、化学吸着（イオン結合や共有結合等）で固定された場合と比較して捕捉体７は非常に脱着し易い。このため、試料６２が中空領域４に充填されると、物理吸着されていた捕捉体７の一部は脱着され、試料６２の中を浮遊する。その結果、捕捉体７とアナライト８とが中空領域４全体で特異的な結合を起こすため、捕捉体７とアナライト８とが効率的に特異的結合できる。
【００２３】
図３は捕捉体７とアナライト８との特異的結合を示す概念図である。試料６２は非特異的検体である検体９と検体であるアナライト８とを含有している。捕捉体７は非特異的な検体９とは特異的に結合せず、アナライト８のみと選択的に特異的結合を起こす。
【００２４】
図２において、金属層２の上面２Ａの上方、すなわち、金属層２について金属層３の反対の方向には電磁波源９２が配置されている。電磁波源９２は金属層２の上面２Ａ上方から金属層２へ電磁波９１を与える。
【００２５】
以下、プラズモンセンサ１の動作について説明する。本実施の形態においては、電磁波９１は光であり、電磁波源９２は光源である。光源である電磁波源９２は、偏光板等の光の偏波を揃える装置を有していない。図１２に示すプラズモンセンサ１００と異なり、プラズモンセンサ１は、Ｐ偏光された光だけでなくＳ偏光された光でも表面プラズモン共鳴を励起させることが可能となる。
【００２６】
保持部５を介して金属層２の上方から上面２Ａに与えられた電磁波９１は金属層２を透過して中空領域４に供給されて金属層３の上面３Ａに到達する。電磁波９１により金属層２の中空領域４の側である下面２Ｂには表面プラズモンが発生し、金属層３の中空領域４の側である上面３Ａに表面プラズモンが発生する。
【００２７】
このように電磁波源９２から金属層２に供給される電磁波がＰ偏向されていなくても、金属層２と中空領域４との間の第１界面、及び、金属層３と中空領域４との間の第２界面に表面プラズモン共鳴が発生する。よって、小型で簡易な構成でプラズモンセンサ１を実現することが出来る。
【００２８】
中空領域４に供給された電磁波９１の波数と金属層２の下面２Ｂに発生する表面プラズモンの波数とが一致した場合には、金属層２の下面２Ｂに表面プラズモン共鳴が励起される。また、電磁波９１と金属層３の上面３Ａに発生する表面プラズモンの波数とが一致した場合には、金属層３の上面３Ａに表面プラズモン共鳴が励起される。
【００２９】
本実施の形態において、金属層２の厚みは概ね１００ｎｍ以下である。金属層２が１００ｎｍより厚い場合、電磁波（光）の中の表面プラズモン共鳴の生じる波長成分が、金属層２を透過しなくなるので、金属層２の下面２Ｂや金属層３の上面３Ａで表面プラズモン共鳴が励起されない。電磁波９１が可視光である場合、金よりなる金属層２の厚さは３５ｎｍ〜４５ｎｍの範囲内であることが望ましい。この範囲外の膜厚では、表面プラズモン共鳴が発生し難くなる。
【００３０】
例えば金よりなる金属層３の厚さは１００ｎｍ以上であることが望ましい。１００ｎｍ未満の膜厚では入射された電磁波９１（例えば可視光）は金属層３を透過し、プラズモンセンサ１の感度が劣化する可能性がある。すなわち、金属層３の厚みが１００ｎｍ未満の場合、金属層２を通過して中空領域４に供給された電磁波の一部が、金属層３を通過して中空領域４の外側へ漏れ出す場合がある。このように、本来、表面プラズモン共鳴の励起に利用されるべき電磁波のエネルギーの一部が中空領域４の外へ漏れ出るので、プラズモンセンサ１の感度が低くなる。したがって、金属層２を金属層３よりも薄くすることで、プラズモンセンサ１の感度を高くすることができる。
【００３１】
表面プラズモン共鳴を発生させる周波数は、金属層２、３の形状、金属層２、３間の距離、金属層２、３の誘電率、金属層２、３間での媒質６１の誘電率と、媒質６１の誘電率の分布の少なくとも１つを調整することにより制御可能である。なお金属層２、３の形状では、主に厚みの変更が表面プラズモン共鳴を発生させる周波数に大きく影響する。
【００３２】
プラズモンセンサ１が電磁波源９２から与えられた電磁波９１を受けた時、プラズモンセンサ１から電磁波９３が反射又は輻射される。金属層２の上面２Ａの上方には電磁波９３を検知する検知部９４が配置されており、電磁波９３を受信する。
【００３３】
前述のように保持部５は金属層２の上面２Ａに固定され、金属層２の形状を保持する。保持部５は電磁波９１を金属層２へ効率良く供給させる必要があるので、電磁波９１を減衰させにくい材質で形成されている。本実施の形態において、電磁波９１は光なので、保持部５は光を効率的に透過させるガラスや透明プラスチック等の透明な材料で形成されている。保持部５の厚みは機械強度的に許容できる範囲で、できるだけ小さい方が好ましい。
【００３４】
このような構造により、電磁波源９２から供給される光である電磁波９１を中空領域４に閉じ込めて表面プラズモン共鳴を励起することができる。また、表面プラズモンと電磁波９１が結合することで表面プラズモンポラリトンが励起される。この励起により、供給された電磁波９１が吸収される。吸収された周波数の成分は電磁波９３として輻射されず、その他の周波数成分が電磁波９３として輻射される。
【００３５】
前述のように保持部６の上面６Ａは金属層３の下面３Ｂに固定され、金属層３の形状を保持している。プラズモンセンサ１の感度を高めるためには、供給される電磁波９１を金属層３に透過させないことが好ましい。したがって、保持部６は電磁波９１を遮断する材料より形成されることが好ましい。例えば、保持部６は１００ｎｍ以上の厚みを有する金属や半導体より形成されている。
【００３６】
保持部６の厚みは保持部５の厚みよりも大きいことが好ましい。これにより、プラズモンセンサ１自体の機械的強度を向上させることができる。その結果、プラズモンセンサ１の使用時に形状変形等が生じてセンシング特性が変化してしまうことを防止できる。
【００３７】
図１に示す状態から図２に示すように中空領域４に試料６２が充填された状態へ変化すると、金属層２、３間（中空領域４）の誘電率、または、金属層２、３間の誘電率の分布が変化する。その結果、プラズモンセンサ１の表面プラズモン共鳴の共鳴波長は変化する。以下、図２に示すように試料６２中にアナライト８が存在する場合と、図２とは異なり試料６２中にアナライト８が存在しない場合とを比較する。
【００３８】
試料６２中にアナライト８が存在する場合、試料６２と捕捉体７とを混合することにより、アナライト８と捕捉体７とが特異的結合を起こす。アナライト８及び捕捉体７が単独で存在した場合の分子構造と、アナライト８と捕捉体７とが特異的結合をした後の分子構造とは異なる。そのため、特異的結合後、金属層２、３間（中空領域４）の誘電率は、アナライト８及び捕捉体７が単独で存在した時の誘電率と異なる値に変化する。したがって、試料中にアナライト８が存在した時のプラズモンセンサ１の共鳴波長と存在しない時の共鳴波長とは異なる。
【００３９】
図４はプラズモンセンサ１が、金属層２、３間の誘電率の変化に対して感度を有していることを示す電磁界シミュレーションの解析結果である。図４を参照しながら、捕捉体７とアナライト８との特異的結合後の分子構造が中空領域４内に存在した時の共鳴波長の変化について説明する。具体的には、特異的結合後の分子構造の中空領域４内の存在位置と共鳴波長の関係その解析モデルは以下の条件を有する。
【００４０】
・捕捉体７とアナライト８との特異的結合後の分子構造：比誘電率１．１、厚み１００ｎｍの層としてモデル化
・金属層２：厚さ４５ｎｍの金の層
・金属層３：厚さ３００ｎｍの金の層
・中空領域４：厚さ１μｍの空気の層
・光の入射角：金属層２の上面２Ａに対して垂直方向
なお、シミュレーション解析には、すべてＣＳＴ製のＭＷ−ｓｔｕｄｉｏを解析ツールとして利用する。また、便宜上、物理吸着されたリガンドについてはモデル化しない。
【００４１】
図４に示す反射率特性曲線Ｐ５は、捕捉体７とアナライト８との特異的結合後の分子構造が中空領域４に存在しない場合の反射率特性を示し、共鳴波長は７０５．４ｎｍである。特性曲線Ｐ１は、特異的結合後の分子構造が金属層２の下面２Ｂに存在する場合の反射率特性を示し、プラズモンセンサ１の共鳴波長は７０７．１ｎｍである。特性曲線Ｐ２は、特異的結合後の分子構造が金属層３の上面３Ａに存在する場合の反射率特性を示し、プラズモンセンサ１の共鳴波長は７０７．１ｎｍである。
【００４２】
特性曲線Ｐ３は、特異的結合後の分子構造が、中空領域４に面した金属層２の下面２Ｂ、金属層３の上面３Ａに配置された場合の反射率特性を示し、プラズモンセンサ１の共鳴波長は７１０．４ｎｍである。特性曲線Ｐ４は、特異的結合後の分子構造が、金属層２、３の中間位置に配置された場合の反射率特性を示し、プラズモンセンサ１の共鳴波長は７１０．４ｎｍである。
【００４３】
このように、金属層２の下面２Ｂ、金属層３の上面３Ａ以外に捕捉体７とアナライト８との特異的結合後の分子構造が存在しても、プラズモンセンサ１の共鳴波長は変化する。この特徴を活かし、プラズモンセンサ１では、捕捉体７とアナライト８との特異的結合を金属層２、３の近傍領域だけでなく、中空領域４のほぼ全体で行うことができるように工夫されている。そのため特異的結合を効率的に行うことが可能となり、その結果、プラズモンセンサ１の感度を向上させることができる。また、中空領域４のほぼ全体で特異的結合を行わせるため、捕捉体７が脱着しやすい物理吸着を介して中空領域４内に捕捉体７が配置されている。その結果、捕捉体７を中空領域４内に配置するプロセスを簡便化することが可能となり、プラズモンセンサ１の製造効率が向上する。
【００４４】
このようにプラズモンセンサ１は、中空領域４内に浮遊している物質の誘電率変化を検知することが出来るため、例えば自己組織化膜（ＳＡＭ）を介して金属層２または金属層３に捕捉体７を化学吸着させる必要がない。そのため、簡易な工程でプラズモンセンサ１を作製可能である。
【００４５】
次に、プラズモンセンサ１の使用方法について説明する。まず、プラズモンセンサ１を用意する。次に、毛細管現象を利用して図２に示すように試料６２を中空領域４に挿入する。そして、保持部５の上面５Ａ側から金属層２の上面２Ａ側へ光等の電磁波９１を入射（供給）する。そして、金属層２の上面２Ａから、保持部５を介して反射又は輻射される電磁波９３の振幅変化と共鳴波長変化の少なくとも一方を検知する。これにより中空領域４内の特異的結合の有無を確認する。例えば、保持部５の上面５Ａ側から太陽光や蛍光灯の光を入射し、その反射光の色の変化を人の目により検知することにより中空領域４内の特異的結合の有無を確認することができる。
【００４６】
以下、その具体的な原理を述べる。プラズモンセンサ１は、表面プラズモンの共鳴周波数において、金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布していてもよい。すなわち、金属層２、３間に発生する電磁界強度が複数の箇所で局所的に大きくなっていてもよい。その様子を図５Ａ、図５Ｂに示す電磁界シミュレーションの解析モデル５０１、５０２を用いて説明する。
【００４７】
解析モデル５０１において、金属層２は銀により構成されて３０ｎｍの厚みを有する。金属層３は銀により構成されて１３０ｎｍの厚みを有する。金属層２、３間の距離は１０μｍであり、中空領域４には比誘電率が１の空気が充填されている。金属層２の上面２Ａの上方と金属層３の下面３Ｂの下方には空気が充填されている。解析モデル５０１では、金属層２、３と中空領域４が横方向に無限に続いている。
【００４８】
解析モデル５０２では、図５Ａに示す解析モデル５０１での金属層２の下面２Ｂに、捕捉体７とアナライト８の特異的結合の結果物５０８が配置されている。結果物５０８の厚みは１０ｎｍであり、比誘電率は３．０である。
【００４９】
金属層２、３を構成する銀の誘電関数は「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｎｓｔａｎｔｓ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄｓ」（Ｐａｌｉｋ，Ｅｄｗａｒｄ  Ｄ．  ｉｎ  １９９８）に記載された屈折率の実験データを変換して作成できる。解析モデル５０１、５０２においては、簡易にシミュレーション解析を行うために、捕捉体７をモデル化していない。
【００５０】
金属層２の上面２Ａの法線方向５０１Ｎに対して４５度の仰角ＡＮから電磁波５９１を与え、−４５度の仰角ＢＮで金属層２の上面２Ａから輻射される電磁波５９３を検知する。以上の条件に基づき、電磁界シミュレーション解析を行った結果を図６Ａ、図６Ｂに示す。
【００５１】
図６Ａは解析モデル５０１の電磁界シミュレーション結果を示している。このモデルの共鳴波長は２８８３ｎｍであり、図６Ａは中空領域４の電界強度の分布を濃淡で表わしている。なお図６Ａは説明のために、中空領域４のすべての領域における電界分布は示しておらず、一部の領域９５での電界分布のみを表わしている。
【００５２】
金属層２、３間に存在する電界強度は、金属層２から金属層３に向かう位置で周期的に局所的な変化を繰り返しており、金属層２、３の近傍の領域での電界強度は小さい。図６Ａでは、金属層２、３間の複数すなわち５つの領域９５Ａで電界強度が局所的に大きく、領域９５Ｂで電界強度が局所的に小さい。領域９５Ａでは基本モードより高い高次モードで電磁界強度が分布している。
【００５３】
金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布することにより、金属層２、３の間隔を広げることができ、アナライト８が含有されている試料６２を中空領域４に容易に挿入することができる。
【００５４】
図６Ａに示す解析モデル５０５では中空領域４の比誘電率は１である。解析モデル５０５と、解析モデル５０５の中空領域の比誘電率が１．２である解析モデル５０６の電磁界シミュレーションの結果である反射率特性Ｒ５０５、Ｒ５０６を図６Ｂに示す。
【００５５】
図６Ｂにおいて、横軸は電磁波５９１の波長を示し、縦軸は電力の電磁波５９１の電力に対する電磁波５９３の比である反射率を示している。反射率特性Ｒ５０５、Ｒ５０６は、解析モデル５０５、５０６において多数の共鳴波長で表面プラズモン共鳴が発生していることを示している。また、中空領域４の媒質の状態すなわち比誘電率を変えることで共鳴波長が変化することを示している。このように、中空領域４を厚くした場合に、金属層２、３間に高次モードの電磁界強度分布が発生し、表面プラズモン共鳴が高次の周波数で発生する。
【００５６】
プラズモンセンサ１では、高次モードの周波数で発生する表面プラズモン共鳴を利用して、中空領域４の媒質６１の状態の時間的変化を検知することもできる。これにより、金属層２、３間の間隔を広げられるので、アナライト８が含有された試料６２を容易に中空領域４に挿入することができる。
【００５７】
次に、プラズモンセンサ１において高次モードの次数を導出する方法を説明する。アナライト８が含まれていない屈折率ｎの試料６２が中空領域４に配置される前の金属層２、３間の電磁界強度がｍ次モードで分布すると、１以上の整数ａを用いて式１が成り立つ。
【００５８】
（１／２）×λ×ｍ＝（１／２）×（λ／ｎ）×（ｍ＋ａ）  （式１）
式１において、λは、中空領域４に媒質６１が配置される前において、金属層２の上面２Ａの上方から供給される電磁波９１の中空領域４での波長である。
【００５９】
式１の左辺は、媒質６１が中空領域４に配置される前での金属層２、３との距離を示す。つまり、媒質６１が中空領域４に配置される前では、金属層２、３間にｍ次モードの電磁界強度分布が発生するので、金属層２、３間の距離は式１の左辺で表わされる。
【００６０】
式１の右辺は、媒質６１が中空領域４に配置された後での金属層２、３間の距離を示す。つまり、屈折率ｎを有する媒質６１が中空領域４に配置されると、電磁波９１の中空領域４での波長λが１／ｎに短縮される。したがって、金属層２、３間には媒質６１が配置される前と比較して、より多くの電磁界強度の腹と節が発生する。この時の電磁界強度分布が（ｍ＋ａ）次モードである場合に、金属層２、３間の距離は式１の右辺で表される。式１の左辺と右辺は共に金属層２、３間の距離を表すので等しい。整数ａは、金属層２、３間において媒質６１（アナライト８の含まれていない試料６２）の有無で変化する電磁界強度分布のモードの次数の差を表わしている。
【００６１】
式１から、高次モードの次数ｍと屈折率ｎと整数ａは式２を満たす。
【００６２】
ｍ＝ａ／（ｎ−１）  （式２）
プラズモンセンサ１の共鳴波長の変化は使用者の目により検知することができる。すなわちプラズモンセンサ１からの反射光の色により共鳴波長の変化を検知することができる。試料６２がアナライト８を含有するか否かを判定するためには、以下の条件を満たす必要がある。すなわち、アナライト８を含有しない試料６２である媒質６１のみが中空領域４に配置された場合にはプラズモンセンサ１からの反射光の色は変化しない。そしてアナライト８を含有する試料６２が中空領域４に配置された場合のみに反射光の色が変化する。そのため、アナライト８を含有しない試料６２つまり媒質６１が中空領域４に配置されるか否かでプラズモンセンサ１からの反射光の色が変化することを防止する必要がある。
【００６３】
例えば、アナライト８の含まれていない試料６２すなわち媒質６１が水である場合の次数ｍを以下のように求める。水の屈折率ｎは１．３３３４である。整数ａを１と設定すると式２よりｍ＝２．９９９４≒３となる。
【００６４】
可視光帯とは人間の目で見える光の波長帯であり、３８０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の波長の範囲である。ここで、例えば、可視光帯である青色の４５０〜４９５ｎｍの波長帯内の周波数ｆｂで、プラズモンセンサ１に表面プラズモン共鳴を起こさせるようにプラズモンセンサ１を設計する。
【００６５】
中空領域４に水が配置されていない状態すなわち空気が配置されている状態において、中空領域４に周波数ｆｂで３次モードの電磁界分布が発生するように、金属層２、３間の距離を決定する。３次モードを選択するのは上記の計算結果がｍ≒３であったためである。
【００６６】
プラズモンセンサ１では、概ね、周波数ｆｂで表面プラズモン共鳴が発生する。可視光帯全域の周波数成分を含む白色光が金属層２の上面２Ａに入射すると、上面２Ａで反射して上方へ反射光が放射される。この反射光では、入射した白色光の内、青色の光が特に減衰する。
【００６７】
次に、アナライト８の含まれていない試料６２である媒質６１の水のみを中空領域４に配置した時、金属層２、３間には、周波数ｆｂにおいて概ね４次モード（ｍ＋ａ＝２．９９９４＋１≒４）の電磁界分布が発生する。つまり、媒質６１を中空領域４に配置しても、プラズモンセンサ１は周波数ｆｂで表面プラズモン共鳴を生じるので、金属層２の上方へ向けて反射される光の色は概ね変化しない。これにより、媒質６１のみが中空領域４に配置されるか否かで、プラズモンセンサ１の共鳴波長が大きくずれることを防止できる。
【００６８】
なお、上記の条件において、ｍは３に近似しているが、導出されるｍが整数となることは稀であるので、導出されたｍの値を四捨五入して得られた整数値を整数ｍとして設定する。
【００６９】
また、媒質６１が中空領域４に配置されていない状態から、媒質６１のみが中空領域４に配置された状態へ変化させた時、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、特定の波長帯内でのみ変化するように、金属層２、３間の距離を設計してもよい。具体的には、上記と同様に、金属層２、３間に発生する電磁界分布モードの次数を設定する。
【００７０】
この特定の波長帯として波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆが挙げられる。波長帯Ａは３８０ｎｍ以上、４５０ｎｍ未満、波長帯Ｂは４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満、波長帯Ｃは４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ未満、波長帯Ｄは５７０ｎｍ以上、５９０ｎｍ未満、波長帯Ｅは５９０ｎｍ以上、６２０ｎｍ未満、波長帯Ｆは６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ未満である。
【００７１】
波長帯Ａは可視光帯の紫色に相当する波長帯であり、波長帯Ｂは可視光帯の青色に相当する波長帯であり、波長帯Ｃは可視光帯の緑色に相当する波長帯である。波長帯Ｄは可視光帯の黄色に相当する波長帯であり、波長帯Ｅは可視光帯の橙色に相当する波長帯であり、波長帯Ｆは可視光帯の赤色に相当する波長帯である。これらの波長帯のうちの１つの波長帯内で反射光の波長が変化することで、アナライト８の含まれていない試料６２の有無により、プラズモンセンサ１からの反射光の色が大きく変化することを防止することができる。すなわち、人の視覚により簡易にアナライト８の有無のみを検知でき抗原抗体反応を検知できる。
【００７２】
なお、金属層２、３間の概ねすべての領域（捕捉体７が設けられていない領域も含む）に中空領域４が設けられてもよい。また、金属層２、３の間で金属層２、３を支える柱や壁以外の領域（捕捉体７が設けられていない領域を含む）に中空領域４が設けられていてもよい。また、金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａに腐食防止用コーティング層が塗布されていてもよい。その場合には、金属層２、３間の腐食防止用コーティング層以外の領域に中空領域４を設けてもよい。ただし、腐食防止用コーティング剤の金属層２または金属層３と接していない表面に配置された捕捉体７の領域は含まない。試料６２を挿入可能な領域が中空領域４であり、中空領域４が金属層２、３間の一部領域に確保されていればよい。
【００７３】
金属層２、３間の間隔Ｌは、表面プラズモン共鳴の生ずる周波数Ｆにより以下の式３で表される。
【００７４】
Ｌ＝Ｎ×Ｃ／（２×Ｆ）×ｃｏｓθ  （式３）
式３において、Ｎは自然数であり、Ｃは金属層２、３間における実効的な光速であり、θは中空領域４において、金属層２の下面２Ｂ、金属層３の上面３Ａに垂直な法線に対する電磁波の入射角度である。なお、式３は金属層２、３の複素屈折率を考慮していないので、誤差を含む。金属層２、３間に中空領域４以外の媒質（例えば、上記の柱や壁等）が存在する場合には、式３のＣの値は、これらの媒質を考慮した値となる。
【００７５】
金属層２を透過して中空領域４に侵入した電磁波は金属層３の上面３Ａで反射される。その結果、図６Ａに示すように中空領域４中には電磁界の強度の定在分布が発生している。中空領域４に発生する定在分布した電磁界の一部をエネルギー源として、表面プラズモン共鳴が発生している。
【００７６】
なお、中空領域４の媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、共鳴波長が、可視光帯以外の波長帯である不可視光帯から可視光帯へ変化、又は、可視光帯から不可視光帯へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されてもよい。
【００７７】
例えば、捕捉体７とアナライト８との特異的結合により中空領域４の媒質６１の状態が変化すると、共鳴波長が不可視光帯から可視光帯へ変化する場合がある。この場合、人の目で検知できる可視光帯の光の色の一部が表面プラズモン共鳴によりプラズモンセンサ１から反射または輻射されにくくなる。その結果、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを人の目により検知することが可能となり、複雑で大規模な装置を具備しない簡易なプラズモンセンサ１を実現できる。
【００７８】
なお、上述の説明において、プラズモンセンサ１に供給される電磁波９１は、少なくとも可視光帯の一部の波長を含む。具体的には、白色光である太陽光や照明の光をプラズモンセンサ１に当てて、その反射波または輻射波を人間の視覚にて検知することでできる。これにより、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００７９】
なお、プラズモンセンサ１へ電磁波９１を供給する角度（例えば、金属層２への電磁波９１の入射角度）が変化すると共鳴波長も変化する。そのため、プラズモンセンサ１に入射する電磁波９１の入射角度が変化する場合には、プラズモンセンサ１の設計に留意する必要がある。すなわち、特異的結合が起こる前の状態において、プラズモンセンサ１への電磁波９１の供給する角度を可能な範囲で変化させても、共鳴波長が不可視光帯の領域内に収まるようにする必要がある。あるいは、可視光帯の同一色の波長帯域内に収まるようにする必要がある。このようにプラズモンセンサ１を設計すれば、プラズモンセンサ１を手で保持し、金属層２側に太陽光を当てて、捕捉体７とアナライト８との特異的結合を検知する場合に、プラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、反射光の色が変化しない。なお、上述のようにプラズモンセンサ１を設計するためには、保持部５、６の材質や、金属層２、３の厚みや材質、金属層２、３間の距離等を調整することにより設計される。
【００８０】
なお、上述の説明においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を不可視光帯から可視光帯へ変化させるか、または可視光帯から不可視光帯へ変化させる。この変化が図１２に示すプラズモンセンサ１００で起こるようにプラズモンセンサ１００を設計してもよい。具体的には、図１２に示したプリズム１０１を有するプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、捕捉体１０４とアナライトの特異的結合の前後で、不可視光帯から可視光帯へ変化するか、または、可視光帯から不可視光帯へ変化する構成とする。また、局在プラズモンを用いたセンサに同様の設計思想を適用してもよい。これにより、捕捉体とアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００８１】
また、中空領域４での媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から青色ないし緑色の光の波長帯、または赤色の光の波長帯へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されてもよい。青色の光の波長帯は４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満で、緑色の光の波長帯は４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下である。したがって前者の波長帯は４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下である。赤色の光の波長帯は６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下である。あるいは表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、これら２つの波長帯のいずれかから不可視光帯へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されてもよい。
【００８２】
人間の網膜の中心部に密に分布する錐体細胞は、赤の光を吸収する錐体と、緑の光を吸収する錐体と、青の光を吸収する錐体の３つの錐体により構成されている。このことから、人が感じる事ができる光は、赤、青、緑の三色のみとなる。このように、人の目の感度が極めて高い青と緑と赤の光を利用することで、人の視覚を使ってプラズモンセンサ１からの電磁波（光）の変化を容易に検知することが可能となる。
【００８３】
例えば、捕捉体７とアナライト８との特異的結合により中空領域４の媒質状態が変化し、共鳴波長が不可視光帯から４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の領域へ変化する。すると、人の視覚の最も感度の高い青色又は緑色又は赤色の内の１つの光の色が表面プラズモン共鳴によりプラズモンセンサ１から反射または輻射されにくくなる。この結果、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを人の目により感度よく検知することができる。
【００８４】
また、この場合も、プラズモンセンサ１へ電磁波９１を供給するときの供給角度（例えば、金属層２への電磁波の入射角度）が変化すると共鳴波長も変化する。そのため、プラズモンセンサ１に入射する電磁波９１の入射角度が変化する場合には、プラズモンセンサ１の設計に留意する必要がある。すなわち、特異的結合が起こる前の状態において、プラズモンセンサ１への電磁波９１の供給する角度を可能な範囲で変化させても、共鳴波長が不可視光帯の領域内に収まるようにする必要がある。あるいは、可視光帯の同一色の波長帯域内に収まるようにする必要がある。このようにプラズモンセンサ１を設計すれば、プラズモンセンサ１を手で保持し、金属層２側に太陽光を当てて、捕捉体７とアナライト８との特異的結合を検知する場合に、プラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、反射光の色が変化しない。
【００８５】
なお、上述のように、プラズモンセンサ１に供給する電磁波は、少なくとも青色、緑色、赤色の光の波長を含んだものとなっていることが好ましい。これにより、上記のとおり、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを人の目により検知することが可能となる。
【００８６】
また、上述の説明においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を不可視光帯から４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の領域へ変化、または、４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の領域から不可視光帯へ変化させる。この変化を従来のプラズモンセンサ１００に適用してもよい。具体的には、図１２に示すプリズム１０１を有するプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、捕捉体１０４とアナライトの特異的結合の前後で、不可視光帯から４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の領域へ変化、または、４５０ｎｍ以上、５７０ｎｍ以下または６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下の領域から不可視光帯へ変化させた構成としてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサにこの変化を適用してもよい。これにより、捕捉体とアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００８７】
さらに、中空領域４での媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上、５８０ｎｍ以下の領域へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されてもよい。
【００８８】
具体的な一例としては、プラズモンセンサ１の金属層２の上面２Ａの上方から、多数の可視光線が含まれた太陽光または照明光を投射した時に、プラズモンセンサ１からの反射光または輻射光を人の目で検知するものが想定される。プラズモンセンサ１の中空領域４の媒質６１が変化前には、青の光に相当する４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満の波長で表面プラズモン共鳴が発生する。そのため、多数の可視光線が含まれた太陽光または照明光から共鳴波長に相当する青の光のみが弱められた電磁波（光）が、プラズモンセンサ１から反射または輻射される。そして、そのような電磁波（光）を人は視認することとなる。
【００８９】
次に、プラズモンセンサ１の中空領域４の媒質６１が変化した後には、緑の光に相当する４９５ｎｍ以上、５８０ｎｍ以下の波長で表面プラズモン共鳴が発生する。そのため、多数の可視光線が含まれた太陽光または照明光から共鳴波長に相当する緑の光のみが弱められた電磁波（光）が、プラズモンセンサ１から反射または輻射される。そして、そのような電磁波（光）を人は視認することとなる。人の目は、青、緑の光に対して、高い感度を持っているため、中空領域４の媒質６１の変化により、共鳴波長が青の光の領域から緑の領域の光へ変化したことを目で容易に認知することができる。そのため、電磁波源９２や検知部９４として特定の機器を用いなくても、人の視覚のみでプラズモンセンサ１における変化を検知することができる。
【００９０】
さらに、青と緑の光の波長帯は隣り合っているため、中空領域４の媒質６１の変化による共鳴波長の変化量を小さくすることが可能である。そのため、この構成のプラズモンセンサ１はアナライト８等の比誘電率が低い場合でも使用できる。
【００９１】
なお、上述の説明においては、電磁波として太陽光、照明光を用いた例を示したが、これに限る必要はなく、少なくとも青と緑の光を含んでいればよい。
【００９２】
なお、上述の説明においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上、５８０ｎｍ以下の領域へ変化させた事例を示したが、この設計思想は、従来のプラズモンセンサ１００等に適用してもよい。具体的には、図１２に示したプリズム１０１を有するプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、捕捉体１０４とアナライトの特異的結合の前後で、４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満の領域から４９５ｎｍ以上、５８０ｎｍ以下の領域へ変化させてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサに同様の思想を適用してもよい。これにより、捕捉体とアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００９３】
また、中空領域４の媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、前述の波長帯Ａ、波長帯Ｂ、波長帯Ｃ、波長帯Ｄ、波長帯Ｅ、波長帯Ｆのうちのいずれかから他の波長帯へ変化するように、プラズモンセンサ１が設計されてもよい。波長帯Ａは３８０ｎｍ以上、４５０ｎｍ未満、波長帯Ｂは４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ未満、波長帯Ｃは４９５ｎｍ以上、５７０ｎｍ未満である。波長帯Ｄは５７０ｎｍ以上、５９０ｎｍ未満、波長帯Ｅは５９０ｎｍ以上、６２０ｎｍ未満、波長帯Ｆは６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ未満である。このような設計は、具体的には、プラズモンセンサ１の金属層２と金属層３との間隔や、金属層２の厚みなどにより実現できる。
【００９４】
中空領域４の媒質状態が時間的に変化した場合、特異的結合前には共鳴波長が波長帯Ａ〜Ｆの内の１つの帯域内にあったのが、特異的結合後には他の帯域内へ移動する。具体的には、中空領域４において捕捉体７とアナライト８とが特異的結合をすると共鳴波長の波長帯が移動する。そのため、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを人の目により簡易に検知することができる。
【００９５】
なお、上述の説明においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を波長帯Ａ〜Ｆの内の１つの波長帯から他の波長帯へ変化させる。この変化を従来のプラズモンセンサ１００に適用してもよい。具体的には、図１２に示すプリズム１０１を有するプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、捕捉体１０４とアナライトの特異的結合の前後で、波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯から他の波長帯へ変化させてもよい。また、局在プラズモンを用いたセンサに同様の変化を適用してもよい。これにより、捕捉体とアナライトとの特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００９６】
さらに、中空領域４での媒質６１の状態を時間的に変化させることにより、表面プラズモン共鳴が生ずる波長が、不可視光帯から波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯へ変化する構成としてもよい。または、波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯から不可視光帯へ変化する構成としてもよい。
【００９７】
中空領域４での媒質６１の状態が時間的に変化した場合、変化の前後の少なくとも一方の状態においては、波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯の反射光（プラズモンセンサ１からの反射光）は表面プラズモン共鳴により減衰する。このため、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを、人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００９８】
なお、上述の説明においては、プラズモンセンサ１の共鳴波長を不可視光帯から波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯へ変化、または、波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯から不可視光帯へ変化させる。この設計思想は、従来のプラズモンセンサ１００に適用してもよい。具体的には、図１２に示すプリズム１０１を有するプラズモンセンサ１００の共鳴波長を、捕捉体１０４とアナライトの特異的結合の前後で、不可視光帯から波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯へ変化させてもよい。または、波長帯Ａ〜Ｆのいずれかの波長帯から不可視光帯へ変化させてもよい。また、局在プラズモンを用いたプラズモンセンサに上記の反射光の波長の変化を起こさせるようにそのセンサを設計してもよい。これにより、捕捉体とアナライトとの特異的結合を人の目により簡易に検知することが可能となる。
【００９９】
また、図１２に示す従来のプラズモンセンサを人が手で持って場合、表面プラズモン共鳴が発生する部位すなわち捕捉体１０４が配置された部位を人が手で触れてしまい、それにより共鳴周波数が変化する。一方、プラズモンセンサ１では、表面プラズモン共鳴が生じる部位は、金属層２の中空領域４に面する下面２Ｂと金属層３の中空領域４に面する上面３Ａの少なくとも一方である。この部分に直接手で触れることは困難である。そのため、人が手で持って使用したとしても、共鳴周波数が変化しにくい。
【０１００】
次に、プラズモンセンサ１の製造方法の一例について、説明する。まず透明な樹脂やガラス等の保持部５の下面５Ｂに金属層２を形成する。一方、金属や半導体等の保持部６の上面６Ａに金属層３を形成する。金属層２、３は例えばスパッタリングにより形成することができるが形成方法は特に限定されない。次に金属層２と金属層３との間に中空領域４が設けられるように、保持部５、６を配置する。このようにして、下面２Ｂと、電磁波が供給されるように構成された上面２Ａとを有する金属層２と、金属層２の下面２Ｂに対向する上面３Ａを有する金属層３とを有し、金属層２と金属層３との間に中空領域４が設けられているプラズモンセンサ構造体を準備する。
【０１０１】
続いて、毛細管現象を利用して捕捉体７を含む媒質を中空領域４に挿入する。すなわち、捕捉体７を含む溶液や懸濁液、エマルジョンなどを中空領域４に挿入する。その後、挿入された媒質を乾燥させることで金属層２の下方と、金属層３の上方のうちの少なくとも一方の領域に捕捉体７を配置する。
【０１０２】
プラズモンセンサ１は、中空領域４内に捕捉体７を化学吸着等により固定する必要がない。そのため、中空領域４を確保維持するための柱等を介して金属層２と金属層３とを組み合わせた後で、上記のような簡単な方法により捕捉体７を中空領域４内に配置することができる。これにより、プラズモンセンサ１の製造効率を向上させることができる。
【０１０３】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２におけるプラズモンセンサ７１の断面図である。プラズモンセンサ７１が実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と異なる点は、複数の捕捉体７が添加剤２００と共に金属層２の下面２Ｂと金属層３の上面３Ａの少なくとも一方に物理吸着されている点である。捕捉体７の周囲に添加剤２００が配置されることにより、捕捉体７が乾燥等の影響により変性することを防止できる。また、図２に示す試料６２が中空領域４に挿入された時に、添加剤２００が捕捉体７に作用する。そのため捕捉体７の脱着が促進され、中空領域４内でのアナライト８と捕捉体７とが効率的に特異的結合することが可能となる。
【０１０４】
また、ポリエチレングリコールやホスホリルコリンなどの適切な添加剤２００を採用することにより、試料６２の毛細管現象による中空領域４への注入速度を向上させることもできる。その結果、検出効率を向上させることができる。また、試料６２を注入後、捕捉体７とその隣の捕捉体７との間に気泡が残ってしまうことを防止することもできる。
【０１０５】
なお、プラズモンセンサ７１は、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の方法で製造でき、また、同様の方法で使用できる。さらに、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の有利な効果をプラズモンセンサ７１も有している。
【０１０６】
（実施の形態３）
図８は本発明の実施の形態３におけるプラズモンセンサ８１の断面図である。プラズモンセンサ８１が実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と異なる点は、捕捉体７が粉体２０１の表面に化学吸着されている点である。粉体２０１は、無機物である金属材料や磁性体材料、誘電体材料、ゴム等で構成されていてもよいし、有機物であるデンドリマーなどで構成されてもよい。化学吸着の方法としては、例えば、自己組織化単分子膜を介して粉体２０１に捕捉体７を固定する方法が考えられる。
【０１０７】
粉体２０１に捕捉体７を固定して保持することにより、アナライト８に捕捉体７が接触しやすい。そのため、捕捉体７とアナライト８とを効率的に特異的結合させることが可能となる。
【０１０８】
金属材料（例えば、金コロイド）を粉体２０１として用いる場合、粉体２０１のサイズを調整することにより粉体２０１の表面において局在プラズモン共鳴を発生させることができる。これにより、粉体２０１の表面において発生する局在プラズモンの共鳴波長の電磁波成分は、プラズモンセンサ８１から外部へ放射されにくくなる。粉体２０１の表面に固定された捕捉体７がアナライト８と特異的に結合すると、粉体２０１の表面の誘電率が変化する。そのため、局在プラズモンの共鳴波長は変化する。この現象をも利用して、抗原抗体反応の有無を確認できるため、プラズモンセンサ８１の感度が向上する。
【０１０９】
また、磁石に吸い寄せられる性質をもつ磁性材料を粉体２０１として用い、中空領域４に図２に示す試料６２を注入後、プラズモンセンサ８１の外部から磁界をかけると、捕捉体７を固定した粉体２０１を攪拌することができる。これにより、捕捉体７とアナライト８とを効率的に特異的結合させることが可能となる。
【０１１０】
一方、デンドリマーの形状は均一化できるので、デンドリマーを粉体２０１として用いる場合、粉体２０１の形状のバラツキを低減することができる。これにより、プラズモンセンサ８１において均一なプラズモン共鳴を実現できる。
【０１１１】
プラズモンセンサ８１においても、実施の形態２のプラズモンセンサ７１と同様に、添加剤２００を粉体２０１の周囲に配置した構成としてもよい。これにより、プラズモンセンサ８１も実施の形態２におけるプラズモンセンサ７１と同様の有利な効果を奏することができる。
【０１１２】
また、プラズモンセンサ８１は、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の方法で製造でき、また、同様の方法で使用できる。さらに、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の有利な効果をプラズモンセンサ８１も有している。
【０１１３】
なお、便宜上、図８において粉体２０１は球形状で示しているが、これ以外の立体形状を有したものを用いても上記同様の効果を得られる。
【０１１４】
（実施の形態４）
図９は本発明の実施の形態４におけるプラズモンセンサ９０の断面図である。プラズモンセンサ９０が実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と異なる点は、中空領域４内における捕捉体７の配置密度に偏りがある点である。具体的には、プラズモンセンサ９０の試料を挿入することが可能な試料挿入部９６、９７の内、試料挿入部９７側に近づく程、捕捉体７の配置密度が高くなっている。
【０１１５】
例えば、プラズモンセンサ９０が人の唾液中の抗原の有無を検出する目的で使用される場合、試料挿入部９６側を被験者の口に入れ、毛細管現象により唾液を中空領域４に挿入する。この使用方法により、捕捉体７の一部が口内に抽出されることを低減できる。
【０１１６】
他の用途において、逆に、試料挿入部９７の側から試料を挿入すれば、捕捉体７とアナライト８とを効果的に特異的結合させることが可能となる。
【０１１７】
図９のように、中空領域４内における捕捉体７の配置密度に偏りがある構成を実現するには、例えば、以下のような方法を適用することができる。まず試料挿入部９６側が試料挿入部９７側よりも上方に配置されるように、捕捉体７を物理吸着させる前のプラズモンセンサ９０を傾けた状態で保持する。そして、捕捉体７を含有する試料を試料挿入部９７側から毛細管現象を利用して挿入する。捕捉体７は重力により試料挿入部９７側により多く分布することとなる。この状態で中空領域４内の試料の媒質を乾燥気化させることで、図９に示す捕捉体７の配置密度の偏りを実現できる。
【０１１８】
（実施の形態５）
図１０は本発明の実施の形態５におけるプラズモンセンサ２０５の断面図である。プラズモンセンサ２０５が実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と異なる点は、保持部５の上面５Ａに保持部２０２が固定され、保持部６の下面６Ｂに保持部２０３が固定されている点である。さらに、保持部２０２の金属層２に対向しない領域には捕捉体７が配置されておらず、保持部２０３の金属層３に対向しない領域にも捕捉体７が配置されていない。その結果、試料挿入部９８には捕捉体７が配置されていない。
【０１１９】
例えば、プラズモンセンサ２０５が人の唾液中の抗原の有無を検出する目的で使用される場合、試料挿入部９８を被験者の口に入れ、毛細管現象により唾液を中空領域４に挿入する。その際、捕捉体７の一部が口内に抽出されることを低減できる。
【０１２０】
なお、試料挿入部９８とは、領域２０６と領域２０７とで囲まれた領域を指している。そして、保持部２０２は、電磁波９１の減衰の少ない材質にて構成されている。
【０１２１】
プラズモンセンサ２０５においては、保持部２０２、２０３のある構成を示したが、保持部２０２、２０３を用いず、保持部５、６を金属層２、３よりも面積の大きい形状としてもよい。この構成でも、同様の効果を得ることができる。
【０１２２】
なお、実施の形態４のプラズモンセンサ９０のように、プラズモンセンサ２０５についても捕捉体７の配置密度に偏りを持たせた構成にしてもよい。これにより、プラズモンセンサ９０と同様の有利な効果を得ることができる。
【０１２３】
また、実施の形態３のプラズモンセンサ８１と同様に、プラズモンセンサ２０５に粉体２０１を用いた構成としてもよい。これにより実施の形態３と同様の有利な効果を得ることができる。
【０１２４】
また、実施の形態２のプラズモンセンサ７１と同様に、プラズモンセンサ２０５においても添加剤２００を捕捉体７の周囲に配置してもよい。これにより、プラズモンセンサ２０５もプラズモンセンサ７１と同様の有利な効果を得ることができる。
【０１２５】
また、実施の形態５におけるプラズモンセンサ２０５は、プラズモンセンサ１と同様の方法で製造でき、また、同様の方法で使用できる。さらに、実施の形態１におけるプラズモンセンサ１と同様の有利な効果をプラズモンセンサ２０５も有している。
【０１２６】
なお、実施の形態１から５において、保持部５は金属層２の上方に配置されているが、これに限る必要はなく、図１１に示すように金属層２の下方に配置されてもよい。図１１は本発明の実施の形態による他のプラズモンセンサの断面図である。
【０１２７】
保持部５が下方に配置される場合には、捕捉体７が保持部５の下面に配置されることとなる。保持部５の比誘電率が高ければ、共鳴波長を長く設定することが可能となるので、金属層２の上方より供給される電磁波の周波数をより低くすることができ、電磁波源のコストを低減ことも可能となる。このように、保持部５が金属層２の下方に配置される場合、保持部５は低誘電率、低損失の材料で構成されていることが好ましい。
【０１２８】
また、実施の形態１から５において、金属層２、保持部５、金属層３、保持部６は平坦な形状で示したが、これに限る必要はなく、凸凹がついた形状でも同様の効果が得られる。これにより、製造プロセス上で微細な凸凹が発生したとしても、プラズモンセンサとして問題なく機能する。なお、捕捉体７は、抗体以外に、受容体、アプタマーなどでもよい。
【０１２９】
また電磁波として光を用いた事例を中心に説明したが、光以外の波長を有する電磁波を用いたとしても、同様の効果が得られる。その場合、保持部５を非金属材料、例えばガラス材で構成することにより保持部５は電磁波を透過することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３０】
本発明におけるプラズモンセンサは小型で簡易な構造を有するので、小型で低コストのバイオセンサ等に利用することができる。
【符号の説明】
【０１３１】
１，７１，８１，９０，２０５    プラズモンセンサ
２    第１金属層（金属層）
２Ａ，３Ａ    上面
２Ｂ，３Ｂ    下面
３    第２金属層（金属層）
４    中空領域
５，６    保持部
５Ａ，６Ａ    上面
５Ｂ，６Ｂ    下面
７    アナライト捕捉体（捕捉体）
８    アナライト
９    検体
６１    媒質
６２    試料
９１，９３，５９１，５９３    電磁波
９２    電磁波源
９４    検知部
９５    領域
９５Ａ，９５Ｂ    領域
９６，９７，９８    試料挿入部
２００    添加剤
２０１    粉体
２０２，２０３    保持部
２０６，２０７    領域
５０１，５０２，５０５，５０６    解析モデル
５０１Ｎ    法線方向
５０８    結果物
【図１】
2011142110.tif 000003
【図２】
2011142110.tif 000004
【図３】
2011142110.tif 000005
【図４】
2011142110.tif 000006
【図５Ａ】
2011142110.tif 000007
【図５Ｂ】
2011142110.tif 000008
【図６Ａ】
2011142110.tif 000009
【図６Ｂ】
2011142110.tif 000010
【図７】
2011142110.tif 000011
【図８】
2011142110.tif 000012
【図９】
2011142110.tif 000013
【図１０】
2011142110.tif 000014
【図１１】
2011142110.tif 000015
【図１２】
2011142110.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成24年10月1日(2012.10.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
プリズム１０１の上方には光源１０５が配置されている。光源１０５はプリズム１０１へＰ偏光された光を全反射条件で入射させる。なお、入射面に水平に振動している光がＰ偏光である。金属層１０２において全反射された光は、検波部１０６において受光される。検波部１０６は光の強度を検出する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
【図１】図１は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサの断面図である。
【図２】図２は図１に示すプラズモンセンサの試料挿入時の概念図である。
【図３】図３は補捉体であるリガンドとアナライトの特異的結合の概念図である。
【図４】図４は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析モデルの概念図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサの他のシミュレーション解析モデルの概念図である。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明の実施の形態によるプラズモンセンサのシミュレーション解析結果を示す他の図である。
【図７】図７は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図８】図８は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図９】図９は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図１０】図１０は本発明の実施の形態によるプラズモンセンサにおける検出原理を説明する断面図である。
【図１１】図１１は本発明の実施の形態による他のプラズモンセンサの断面図である。
【図１２】図１２は従来のプラズモンセンサの断面図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるプラズモンセンサ１の断面図である。プラズモンセンサ１は、第１金属層（以下、金属層）２と、第２金属層（以下、金属層）３と、複数のアナライト捕捉体（以下、補捉体）７とを有する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
図４はプラズモンセンサ１が、金属層２、３間の誘電率の変化に対して感度を有していることを示す電磁界シミュレーションの解析結果である。図４を参照しながら、捕捉体７とアナライト８との特異的結合後の分子構造が中空領域４内に存在した時の共鳴波長の変化について説明する。具体的には、特異的結合後の分子構造の中空領域４内の存在位置と共鳴波長の関係の解析モデルは以下の条件を有する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
以下、その具体的な原理を述べる。プラズモンセンサ１では、表面プラズモンの共鳴周波数において、金属層２、３間の電磁界強度が高次モードで分布していてもよい。すなわち、金属層２、３間に発生する電磁界強度が複数の箇所で局所的に大きくなっていてもよい。その様子を図５Ａ、図５Ｂに示す電磁界シミュレーションの解析モデル５０１、５０２を用いて説明する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
なお、上述の説明において、プラズモンセンサ１に供給される電磁波９１は、少なくとも可視光帯の一部の波長を含む。具体的には、白色光である太陽光や照明の光をプラズモンセンサ１に当てて、その反射波または輻射波を人間の視覚にて検知することができる。これにより、捕捉体７とアナライト８との特異的結合などを人の目により簡易に検知することが可能となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
なお、プラズモンセンサ１へ電磁波９１を供給する角度（例えば、金属層２への電磁波９１の入射角度）が変化すると共鳴波長も変化する。そのため、プラズモンセンサ１に入射する電磁波９１の入射角度が変化する場合には、プラズモンセンサ１の設計に留意する必要がある。すなわち、特異的結合が起こる前の状態において、プラズモンセンサ１への電磁波９１の供給する角度を可能な範囲で変化させても、共鳴波長が不可視光帯の領域内に収まるようにする必要がある。あるいは、可視光帯の同一色の波長帯域内に収まるようにする必要がある。このようにプラズモンセンサ１を設計すれば、プラズモンセンサ１を手で保持し、金属層２側に太陽光を当てて、捕捉体７とアナライト８との特異的結合を検知する場合に、プラズモンセンサ１への電磁波の供給角度を可能な範囲で変化させても、反射光の色が変化しない。なお、上述のようにプラズモンセンサ１を設計するためには、保持部５、６の材質や、金属層２、３の厚みや材質、金属層２、３間の距離等を調整する。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０２】
プラズモンセンサ１では、中空領域４内に捕捉体７を化学吸着等により固定する必要がない。そのため、中空領域４を確保維持するための柱等を介して金属層２と金属層３とを組み合わせた後で、上記のような簡単な方法により捕捉体７を中空領域４内に配置することができる。これにより、プラズモンセンサ１の製造効率を向上させることができる。
【国際調査報告】
2011142110.tif 000017
2011142110.tif 000018
2011142110.tif 000019
2011142110.tif 000020
2011142110.tif 000021
2011142110.tif 000022
2011142110.tif 000023
2011142110.tif 000024